ПТ з керувальним p-n – переходом (ПТУП) виготовляють з кремнієвого кристала n - або p - типу. Схемні позначення ПТУП показано на рисунку 11.1. До таких транзисторів належать прилади: КП 101, КП 102, КП 103, КП 201 – транзистори з p - каналом; КП 302, КП 303, КП 307, КП 312 – транзистори з n - каналом. Як бачимо з позначень, низькочастотні ПТУП мають канал p - типу, високочастотні – канал n - типу. Справа в тому, що в p - каналі основні носії – дірки, а їх рухомість менша, ніж у електронів, які є основними носіями в каналах n - типу.
а) б)
Рисунок 11.1 – Схемні позначення ПТУП з n - каналом (а) і з p - каналом (б)
Схематично будова ПТУП з p - каналом показана на рис.11.2.
Рисунок 11.2 – Схематична будова польового транзистора з керувальним переходом і p - каналом
Транзистор складається з напівпровідникової області p - типу і двох областей n - типу. Останні з’єднуються разом і утворюють керувальний електрод – затвор. На межах поділу n - областей та p - області виникають високоомні запірні шари – керувальний p-n – перехід. Частина p - області між запірними шарами називається каналом. Під дією джерела напруги у каналі утворюється поздовжнє електричне поле, яке примушує дірки рухатися до “-” в напрямі від електрода, що називається витоком, до електрода, який називається стоком. Отже, в каналі і в зовнішньому колі стоку проходить струм стоку під дією напруги на стоці стосовно витоку . На затвор стосовно витоку подається напруги , яка зміщує p-n – переходи в зворотному напрямі. У колі затвора проходить малий струм .
Приклади конструкції ПТУП зображені на рисунку 11.3 (КП 102) та рисунку 11.4 (КП 103).
Рисунок 11.3 – Конструкція КП 102
Рисунок 11.4 – Фрагмент структури ПТУП КП 103
У рамках планарної технології (рисунок 11.3) засобом дифузії в приповерхневому шарі кремнієвого кристала типу створюються вузька область типу (канал) і дві високолеговані області p - типу (витік і стік). На ці області наносять тонку плівку з алюмінію, до якої припаюють виводи витоку і стоку.
Поверхню кристала покривають захисним шаром двоокису кремнію (). Затвором служить кристал-підкладка, до якого припаюють вивід керувального електрода. Всю конструкцію розміщають у герметичному металевому або пластмасовому корпусі.
Польові транзистори типу КП 103, на відміну від попередніх, мають п’ять паралельних каналів, біля кожного з яких розташований додатковий затвор 32 (першим затвором 31 є підкладка) – рисунок 11.4. Наявність п’яти каналів і додаткових затворів дозволяє збільшити струм стоку, а також підвищити ефективність керування товщиною каналу, оскільки перекриття каналу відбувається з боку затвора і зверху, і знизу.
Принцип дії ПТУП розглянемо за допомогою схематичного зображення приладу на рисунку 11.2. При збільшенні напруги , яка містить запірні шари у зворотному напрямі, ці шари розширяються. Товщина p-n – переходу зростає повністю у бік каналу, оскільки у ПТУП області затвора завжди високолеговані, а канал має низьку концентрацію домішок ( для транзистора з p - каналом). Розширення керувального p-n – переходу приводить до зменшення ширини каналу, зниження його електропровідності і зменшення струму через нього () при незмінній напрузі. Отже, змінюючи напругу на затворі , тобто змінюючи поперечне електричне поле, можна ефективно керувати зміною струму стоку (величиною внутрішнього опору транзистора.) Це найважливіша властивість польового транзистора в режимі підсилення сигналів. Саме вона зумовлює суттєву відмінність ПТ від біполярних транзисторів, яка полягає в наступному. При зміні вхідної напруги ПТ змінюється лише поперечне поле, що керує інтенсивністю потоку носіїв через канал. Вхідний струм транзистора – струм затвора - практично не змінюється як струм насичення p-n – переходу в зворотному вмиканні. Отже, внаслідок слабкої зміни при зміні затворної напруги, а також із причини великого вхідного опору ПТ (малого струму ) вважають, що керування вихідним струмом приладу відбувається не за рахунок зміни вхідного струму, як у БТ, а внаслідок зміни вхідної напруги, як у вакуумному тріоді. Великий вхідний опір усіх ПТ порівняно з біполярними – це суттєва перевага польових приладів.
Нехай стокова напруга =0. Тоді при зміні можна досягти повного перекриття каналу внаслідок змикання запірних шарів. Канал у цьому випадку має дуже великий опір, а напруга, при якій це відбувається, називається напругою відсічення (). Напруга є важливим параметром ПТУП. Оцінимо її, а також дослідимо вплив напруги на товщину каналу .
Товщина p-n – переходу, як відомо з першого розділу конспекту, дорівнює
(11.1)
Оскільки , то , і тоді для зворотної напруги затвора
(11.2)
Ширину каналу можна визначити згідно з рисунком 11.2 за формулою
==, (11.3)
де - відстань між областями затвора.
Як було зазначено, при = канал перекривається (=0). Для цього випадку з формули (11.3) випливає, що
+=.
Наприклад, для ПТУП з см і см маємо
+= 6 В.
Оскільки контактна різниця потенціалів В, то можна вважати, що , і тоді
=. (11.4)
Використовуючи рівності (11.3) та (11.4), можна одержати аналітичну залежність ширини каналу від напруги на затворі
=. (11.5)
Оскільки опір каналу обернено пропорційний до його ширини, то існує така залежність
()=, (11.6)
де () – опір каналу при даній напрузі затвора;
- опір каналу при =0.
Тепер нехай 0. Напруга, що діє на стоці ПТУП, викликає проходження через канал і в зовнішньому колі струму . Струм стоку, проходячи через ненульовий розподільний опір каналу, створює на ньому спад напруги (рисунок 11.5).
Рисунок 11.5 – До пояснення конфігурації каналу ПТУП при 0
На цьому рисунку вибрано переріз каналу на відстані їх від витоку. Падіння напруги пропорційне до величини опору ділянки каналу і до струму стоку . Таким чином, в перерізі напруга на переході +, оскільки напруга має той самий напрям, що і напруга , і її дія на p-n – перехід еквівалентна дії додаткової зворотної напруги.
На підставі цього можна одержати залежність ширини каналу від координати , тобто від величини напруги :
()= (11.7)
Очевидно, що спад напруги при проходженні струму через канал залежить від координати . Так, біля витоку (=0) =0. Біля стоку (=, де - довжина каналу) =()=. З цього приводу можна вважати, що при ненульовій стоковій напрузі ширина каналу зменшується в напрямі від витоку до стоку згідно з формулою (11.7). Біля стоку ширина каналу мінімальна, оскільки =:
=. (11.8)
З формули (11.8) випливає, що при проходженні через канал ПТУП струму стоку опір каналу, а також струм через нього залежить і від напруги , і від напруги .
Розглянемо статичні характеристики ПТУП, які знімають за допомогою схеми рисунку 11.6. На цій схемі досліджуваний транзистор має канал типу.
Рисунок 11.6 – Схема для експериментального зняття характеристик ПТУП
Не потрібно забувати, що при дослідженні транзистора з каналом типу полярності під’єднання джерел живлення і вимірювальних приладів треба змінити на зворотні.